Трансформаторы — устройства, которые применяют для преобразования переменного тока и напряжения. Используют в электроэнергетике, радиотехнике, промышленной автоматике и электронике. Надежность и эффективность работы подобного оборудования во многом зависят от свойств материалов, из которых оно изготовлено. Особую роль здесь играют магнитомягкие сплавы, которые обеспечивают минимальные потери энергии и максимальную производительность. Рассмотрим, как эти материалы влияют на работу различных электротрансформаторов и какие уникальные решения предлагает завод ПЗПС.

Роль магнитопровода в работе трансформатора

Принцип действия трансформатора основан на явлении электромагнитной индукции, которое было впервые открыто и описано Майклом Фарадеем. Когда через первичную обмотку проходит переменный ток, в ней создается изменяющееся магнитное поле. Это поле, в свою очередь, индуцирует напряжение во вторичной обмотке, преобразуя параметры электроэнергии в соответствии с заданными характеристиками.

Основные этапы процесса:

1. Протекающий через первичную обмотку ток создаёт изменяющееся магнитное поле.
2. Созданный полем магнитный поток направляется через сердечник (магнитопровод) — элемент, изготовленный из магнитомягкого сплава, — ко вторичной обмотке.
3. Во вторичной обмотке наводится напряжение, величина которого пропорциональна количеству витков и скорости изменения магнитного потока.

Сердечник играет ключевую роль в этом процессе. Он концентрирует и направляет магнитный поток, что позволяет минимизировать потери энергии и повысить эффективность работы трансформатора. Для изготовления магнитопровода используются сплавы с высокой магнитной проницаемостью, а также с низкими потерями на вихревые токи и гистерезис. Эти свойства обеспечивают оптимальную передачу энергии и надежную работу устройства.

Ток и напряжение изменяются пропорционально количеству витков в обеих обмотках, согласно закону Фарадея:

​E=-Nt​

где:

• E — индуцированная электродвижущая сила, 
• N — количество витков,
• — поток вектора магнитной индукции,
• t — время, которое требуется для одной фазы изменения магнитного поля, 
• t — скорость изменения потока.

Таким образом, трансформатор преобразует параметры электроэнергии, позволяя адаптировать уровень тока и напряжения в соответствии с заданными нагрузками.

Режимы работы трансформаторов

При проектировании и эксплуатации электрооборудования учитываются различные режимы его работы, чтобы обеспечить его надежность и эффективность.

1. Режим холостого хода — работа без нагрузки.
   • Описание: первичная обмотка подключена к источнику переменного напряжения, а вторичная обмотка остается без нагрузки.
   • Особенности: минимальный ток проходит через трансформатор, обеспечивая намагничивание сердечника. В этом режиме измеряются параметры оборудования, такие как коэффициент трансформации и потери на гистерезис и вихревые токи.
   • Техническая деталь: для снижения потерь применяются сплавы с минимальными потерями на гистерезис, например, 50Н и 50НП.
2. Режим нагрузки — основной режим работы.
   • Описание: оба контура подключены к нагрузке, а само устройство работает для передачи энергии потребителю.
   • Особенности: уровень вторичного напряжения зависит от нагрузки, а ток возрастает с ее увеличением.
   • Техническая деталь: для эффективной работы в этом режиме используются сплавы с высокой магнитной проницаемостью и стабильностью характеристик, например, 79НМ для слабых полей.
3. Режим короткого замыкания (КЗ) — для определения потерь на обмотках и прочности изоляции.
   • Описание: вторичная обмотка замкнута накоротко (соединяется с нулем), а первичная остается под напряжением.
   • Особенности: в этом режиме через трансформатор протекает максимальный ток, и вся энергия расходуется на нагрев проводников. Это предъявляет высокие требования к прочности оборудования и устойчивости к нагреву.
   • Применение: режим КЗ используется для испытания оборудования, включая испытания прочности изоляции. Сплавы с низким уровнем потерь на вихревые токи, например, 81НМА, обеспечивают надежность при таких нагрузках.

Каждый из режимов требует использования сердечников, которые минимизируют потери энергии и обеспечивают стабильную работу оборудования при различных условиях эксплуатации.

Физические явления в магнитопроводе

Магнитопровод служит основой для передачи и усиления магнитного потока в трансформаторе. В процессе работы в нем происходят следующие физические явления:

Магнитное насыщение

Возникает, когда сердечник достигает предельной плотности магнитного потока. Это состояние характеризуется тем, что дальнейшее увеличение тока в обмотке не приводит к значительному усилению поля.

Для описания процесса используется уравнение:

B=μH

где:

• B — магнитная индукция,
• μ — магнитная проницаемость справа,
• H — напряженность поля.

Когда B приближается к максимальному значению насыщения​, проницаемость сплава резко снижается. Это приводит к возрастанию потерь и снижению эффективности работы трансформатора. Чтобы избежать магнитного насыщения, расчет токов и сечения магнитопровода проводится с учетом запаса намагничивающей силы.

Электромагнитная индукция

Переменный ток, протекающий через первичную обмотку, создает переменное магнитное поле в магнитопроводе. Это поле охватывает витки вторичной обмотки, где возникает наведенное напряжение в соответствии с законом Фарадея. Для повышения эффективности устройства материалы сердечника должны обладать высокой магнитной проницаемостью, что позволяет лучше направлять поток между обмотками.

Гистерезис 

Это явление, при котором индукция сплава зависит от его предшествующего состояния намагничивания. Если ток в обмотке меняет направление, процесс изменения поля в магнитопроводе запаздывает, что связано с внутренним сопротивлением доменной структуры материала. На графиках петли гистерезиса видно, что энергия теряется на каждый цикл изменения поля. Эти потери, называемые потерями на гистерезис, выражаются формулой:

Pг​=η⋅f⋅Bmax2​

где:

• Pг​​ — мощность потерь на гистерезис,
• η — коэффициент гистерезиса, зависящий от свойств сплава,
• f — частота переменного тока,
• Bmax2 — максимальная магнитная индукция.

Для уменьшения данных потерь сердечники трансформатора изготавливают из специальных сплавов, содержащих в своем составе кремний.

Потери на вихревые токи

Переменное поле индуцирует в магнитопроводе вихревые токи — замкнутые токи, образующиеся внутри материала. Эти токи создают собственные магнитные поля, которые противодействуют исходному изменению. Из-за этого часть энергии расходуется на поддержание вихревых токов. Уменьшение этих потерь достигается путем использования тонколистовых изолированных пластин при изготовлении сердечника.

Тепловые потери

Еще один источник потерь — выделение тепла в магнитопроводе из-за сопротивления материала. Эти потери зависят от удельного сопротивления сердечника и внешних факторов, таких как охлаждение. Чтобы снизить тепловые потери, используют сплавы с минимальным сопротивлением, а также обеспечивают эффективное охлаждение трансформатора — масляное или воздушное.

Магнитомягкие сплавы производства ПЗПС

Петербургский завод прецизионных сплавов предлагает широкий ассортимент материалов, которые идеально подходят для использования в сердечниках трансформаторов:

1. 50Н и 50НП — отличаются повышенной магнитной проницаемостью и высокой индукцией насыщения. Используются в производстве силовых малогабаритных и междуламповых трансформаторов, а также в оборудовании, работающем при высоких индукциях с небольшим подмагничиванием или без него.
2. 79НМ — характеризуется высокой проницаемостью в слабых магнитных полях, индукция насыщения в которых составляет от 0,65 до 0,75 Тл. Используется в малогабаритных моделях, которые работают в слабых полях магнитных экранов. Лента толщиной от 0,02 до 0,05 мм применяется для минимизации вихревых потерь в сердечниках импульсных трансформаторов.
3. 81NMA — an alloy with the highest magnetic permeability, increased strength and minimal sensitivity to mechanical deformations. It is used in small-sized equipment designed to operate in weak magnetic fields.

The operation of the transformer is based on complex physical processes taking place in the magnetic core. Electromagnetic induction ensures the transfer of energy between the windings. Hysteresis and magnetic saturation determine the behavior of the material under the influence of variable fields, and vortex and heat losses limit the efficiency of the devices. Modern technologies make it possible to minimize these losses by selecting optimal alloys physical and mechanical properties.

For purchase alloysthat are best suited to your projects, or development of production technologies for new steel grades, please contact phones or leave application on the site. Our experts will contact you and help you choose materials that will ensure the reliability and efficiency of your equipment in all conditions.